Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ hàn đến chất lượng mối hàn khi thực hiện hàn thép cacbon thấp bằng phương pháp hàn mag

ISSN 2354-0575
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HÀN
ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN KHI THỰC HIỆN HÀN
THÉP CACBON THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN MAG
Nguyễn Đức Toàn1, Nguyễn Anh Đức1, Ngô Đức Khánh1
Phạm Văn Đức1, Nguyễn Văn Đông2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật - công nghệ Tuyên Quang
Ngày nhận: 16/06/2016
Ngày sửa chữa: 09/08/2016
Ngày xét duyệt: 06/09/2016
Tóm tắt:
Ở trong nước hiện nay, một trong những công nghệ hàn tiên tiến đang được ứng dụng có hiệu quả
cao đó là cơng nghệ hàn bán tự động trong mơi trường khí bảo vệ (hàn MAG). Tuy nhiên, việc sử dụng
thiết bị, đặc biệc là việc điều chỉnh các thông số công nghệ hàn để có thể đảm bảo yêu cầu về chất lượng
mối hàn, còn chưa được thực hiện. Đối với các cơ sở dạy nghề mới thành lập, việc tiếp cận đến cơng nghệ
hàn MAG cịn hạn chế dẫn đến tốn kém trong công tác đào tạo, chất lượng tay nghề không cao và hiệu quả
kinh tế thấp.
Nghiên cứu này, đánh giá ảnh hưởng của thông số công nghệ hàn chủ yếu đến chất lượng mối hàn.
Các tham số chế độ hàn phối hợp sử dụng theo thuật toán mảng trực giao Taguchi, cụ thể: Ih – cường độ
dòng điện hàn, Uh – điện áp hàn, Vh – vận tốc hàn được lựa chọn để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến
chất lượng sản phẩm. Trường hợp tối ưu sau đó sẽ được thử nghiệm lại nhằm khẳng định kết quả của
nghiên cứu.
Từ khóa: Hàn MAG, phương pháp Taguchi, Tối ưu hóa.
1. Giới thiệu
Cơng nghệ hàn MAG ngày càng được ứng
dụng rộng rãi, do hàn MAG có rất nhiều ưu điểm
so với các phương pháp hàn khác, đồng thời do yêu
cầu, quy mơ sản xuất, do u cầu địi hỏi ngày càng
cao về chất lượng mối hàn và tính kinh tế trong
sản xuất. Trong khoảng 15 năm trở về trước, nước

ta ngồi cơng nghệ hàn hồ quang tay với que hàn
thuốc bọc ra, các phương pháp hàn bán tự động
trong môi trường khí bảo vệ được ứng dụng trong
phạm vi quy mơ cịn rất nhỏ. Gần đây, do tốc độ
phát triển kinh tế nhanh, sản xuất công nghiệp được
thúc đẩy mạnh, các loại hình cơng nghệ hàn tiên
tiến từng bước được áp dụng vào sản xuất, trong đó
cơng nghệ hàn MAG thực sự đã được quan tâm ở
mọi lĩnh vực và khắp các ngành cơng nghiệp trong
nước. Như ngành đóng tàu đã và đang áp dụng công
nghệ hàn MAG vào hàn vỏ tàu; ngành chế tạo kết
cấu thép chế tạo thiết bị phi tiêu chuẩn cho nhà máy
điện, nhà máy xi măng; ngành giao thông vận tải áp
dụng nhiều công nghệ hàn MAG để hàn các dầm
cầu; ngành sản xuất ôtô, tàu hỏa đã và đang ứng
dụng hàn MAG để hàn khung sắt xi và vỏ xe, toa
xe… Ngoài ra hàn MAG còn đang được áp dụng
trong hàn đắp, phục hồi sửa chữa chi tiết máy. Tóm
lại, cơng nghệ hàn MAG đang được ứng dụng rộng
rãi trong khắp các ngành công nghiệp, đóng vai trị
quan trọng trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện

Khoa học & Cơng nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

đại hóa đấy nước.
Cơng nghệ hàn trong mơi trường khí bảo vệ
hiện nay đang được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực
gia công, chế tạo kết cấu thép, trong các công trình
xây dựng đóng tàu, cầu đường, nhà xưởng... Nâng
cao năng suất, chất lượng mối hàn thép các bon

được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu và
đã ứng dụng thành công các công nghệ hàn, thông
số chế độ hàn đến chất lượng mối hàn, hình thành
nên chất lượng sản phẩm cao gấp nhiều lần so với
trước đây [1-3].
Tại các cơ sở đào tạo, các vấn đề liên quan
đến chất lượng mối hàn và điều chỉnh thông số chế
độ hàn để đạt được chất lượng mối hàn theo yêu
cầu đề ra cũng thường xuyên được nghiên cứu, điều
chỉnh và thực nghiệm để đưa ra các kết quả ứng
dụng vào công tác đào tạo, rèn luyện kỹ năng nghề.
Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế
độ công nghệ đến chất lượng mối hàn đối với vật
liệu thép cacbon thấp khi hàn bằng phương pháp
hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
là có tính cấp thiết trong công tác ứng dụng thiết bị
hàn và công nghệ hàn trong môi trường khí bảo vệ
vào quá trình thực hiện kỹ thuật hàn, nâng cao chất
lượng mối hàn, hạn chế những khuyết tật mối hàn,
nâng cao năng suất lao động và có thể ứng dụng
trong công tác đào tạo nguồn nhân lực tại các cơ sở
đào tạo ngành hàn [4-10].

Journal of Science and Technology

23


ISSN 2354-0575
Đối với thép cácbon thấp, được sử dụng phổ

biến trong công tác đào tạo kỹ năng nghề Hàn và gia
công các kết cấu thép. Ở đây, thông số chế độ hàn có
ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn từ đó
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, năng suất lao
động cũng như kỹ năng nghề của người thực hiện.
Do vậy phạm vi nghiên cứu này chỉ giới hạn
ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế
độ: dòng điện hàn, điện áp hàn, vận tốc hàn khi giữ
nguyên các thông số về kỹ thuật hàn, đường kính
dây hàn, lưu lượng khí bảo vệ, và được thực hiện
bằng phương pháp thực nghiệm.
2. Ảnh hưởng của thông số hàn chủ yếu đến chất
lượng mối hàn khi thực hiện hàn bằng phương
pháp hàn MAG [6]
Thông qua việc đặt chỉnh thiết bị hàn và việc
sử dụng mỏ hàn của người thợ hàn đã định đoạt một
cách quyết định tới các quá trình xảy ra lúc hàn và
chất lượng của mối hàn. Đối với mỗi thơng số hàn
khi có sự thay đổi đều ảnh hưởng nhất định đến kích
thước và chất lượng mối hàn.
2.1. Ảnh hưởng của điện áp khi giữ nguyên tốc
độ chuyển dây
Việc thay đổi điện áp (U) thông qua việc
chỉnh đặc tuyến của thiết bị khi giữ nguyên tốc độ
chuyển dây có tác dụng làm thay đổi chiều dài hồ
quang và hình dạng của mối hàn. Trong quá trình
này cường độ dịng điện I và tốc độ nóng chảy vẫn
giữ nguyên (Hình 1).

Al

Am

Al

2.2. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển dây khi giữ
nguyên điện áp
Mỗi sự thay đổi của tốc độ chuyển dây Vd
trong khi vẫn giữ nguyên trị số điện áp đều dẫn đến

Am

Ak

Hình 2. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển dây khi giữ
nguyên điện áp
2.3. Tác dụng của việc chỉnh kết hợp giữa điện
áp và tốc độ chuyển dây
Khi kết hợp điều chỉnh giữa điện áp và tốc
độ chuyển dây đồng thời (cùng tăng hoặc cùng
giảm) thì sẽ làm mối hàn thay đổi đồng đều về độ
sâu ngấu và chiều rộng mối hàn.

Ak

Hình 1. Ảnh hưởng của việc điều chỉnh áp
khi giữ nguyên tốc độ chuyển dây

24

thay đổi chiều dài hồ quang, cường độ dịng điện và
hình dạng của mối hàn (Hình 2).

A-a

C-c

E-e

Hình 3. Ảnh hưởng của việc điều chỉnh kết hợp cả
điện áp và dòng điện
3. Xây dựng vật mẫu thí nghiệm, phương pháp
nghiên cứu và kiểm tra chất lượng mối hàn
3.1. Xây dựng vật mẫu thí nghiệm hàn

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575

Hình 4. Kích thước liên kết và mối hàn
Bảng 1. Kích thước cơ bản của mối hàn
TT

S,S1 (mm)

a (mm)

b (mm)

c (mm)

1

1÷5

0+0,5

5±1,0

1,0±0,5

2

2

1±1,0

6±1,0

1,5±1,0

3

3

1±1,0

6±1,0

1,5±1,0

4

4

2±1,0

7±1,0

2,0±1,0

5

5÷6

2±1,0

9±1,0

2,0±1,0

Mẫu thí nghiệm chuẩn bị cho nghiên cứu
ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính khi
hàn, đơn giản nhất là chọn liên kết hàn giáp mối ở
vị trí hàn bằng. Vật liệu thép các bon thường, thép
tấm có chiều dày 6mm, kích thước của tấm vật mẫu
200×100×6 (mm). Đối với vật hàn có chiều dày đến

6 mm cơ thể sử dụng mối hàn giáp mối một phía
với dạng liên kết chữ I. Kích thước liên kết hàn và
kích thước mối hàn của dạng liện kết chữ I có thể sử
dụng theo Hình 4 và Bảng 1.
3.2. Phương pháp xây dựng kế hoạch thực nghiệm
Đường kính dây hàn, cường độ dòng điện
hàn tỷ lệ thuận với lưu lượng khí bảo vệ. Nếu đường
kính dây hàn lớn thì địi hỏi cường độ dịng điện hàn
cao và lưu lượng khí bảo vệ nhiều mới đảm bảo chất
lượng của mối hàn. Mối quan hệ giữa đường kính
dây hàn (dd) với cường độ dòng điện hàn (Ih), điện
áp hàn (Uh), tầm với điện cực và lưu lượng khí bảo
vệ đối với phương pháp hàn bán tự động khí bảo vệ
CO2, dịng điện một chiều cực nghịch thường được
tra theo bảng.
Để đơn giản hóa các nghiên cứu và xác định
được cụ thể các ảnh hưởng của thông số chế độ hàn
đến chất lượng mối hàn, chọn miền khảo sát của 3
thông số chế độ hàn như Bảng 2 [8].
Bảng 2. Lựa chọn khoảng biến thiên của các thông
số khảo sát [8]
TT Thông số chế độ hàn Khoảng biến thiên
1

Ih (A)

100 ÷ 160

2

Uh (V)

20 ÷ 24

3

Vh (mm/phút)

100 ÷ 300

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

3.3. Phương pháp Taguchi và phân tích phương
sai ANOVA [11]
Để thực hiện q trình thực nghiệm và phân
tích các ảnh hưởng của các thơng số chế độ hàn đã
lựa chọn đến chất lượng mối hàn. Để nâng cao chất
lượng sản phẩm, đề tài sẽ tìm hiểu ảnh hưởng một
số tham số của quá trình tạo hình tới chất lượng để
từ đó chọn ra được một trường hợp tối ưu có thể đưa
vào thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu này sẽ
sử dụng được phương pháp mảng trực giao Taguchi
kết hợp phân tích phương sai ANOVA để tiết kiệm
thời gian mà vẫn đảm bảo hiệu quả của đề tài.
Các tham số được chọn để điều tra mức độ
ảnh hưởng của chúng tới một số tiêu chí của chất
lượng mối hàn đó là: Ih – cường độ dịng điện hàn
(tham số A), Uh – điện áp hàn (tham số B), Vh – vận
tốc hàn (tham số C). Cùng với các tham số này là
các giá trị cấp độ của chúng thể hiện như Bảng 3

như theo phương pháp Taguchi [11] trình bày trên.
Tiếp đến là Bảng 4 trình bày các thí nghiệm cần
làm và kết quả kiểm tra chất lượng mối hàn, nhấn
mạnh lại là ở đây ta chỉ cần 9 thí nghiệm, giảm hơn
so với 27 thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm
thông thường.
Bảng 3. Các tham số được chọn và cấp độ tương ứng
Các tham số
I (A)
U (V)
V (mm/p)

Cấp độ
1
100
20
15

2
130
22
25

3
160
24
35

Sau khi tính được diện tích mối hàn tiêu
chuẩn và diện tích các mối hàn thực nghiệm làm

chỉ tiêu đánh giá kết quả, ta sẽ tiến hành tính tốn
đối với các thí nghiệm đã được xây dựng rồi xác
định tỉ số nhiễu S/N tương ứng như Bảng 5. Đánh
giá ảnh hưởng của các thơng số đến diện tích tiết
diện ngang của mối hàn theo phương pháp phân tích
phương sai ANOVA (Bảng 6). Qua các kết quả phân
tích (ANOVA) cho các giá trị dẫn đến diện tích tiết
diện ngang của mối hàn lớn nhất ta nhận thấy có các
thơng số như sau:
- Thơng số Ih có sự ảnh hưởng rất lớn đến
chiều sâu ngấu mối hàn là 72,4 %.
- Thơng số Uh có sự ảnh hưởng nhỏ đến
chiều sâu ngấu mối hàn là 27,3%.
- Thông số Vh ảnh hưởng rất nhỏ đến chiều
sâu ngấu mối hàn là 0,3%.
Từ đó ta chọn được bộ thông số tối ưu ứng
với tiêu chí mối hàn như sau: A3B3C2 (Hình 5) hay Ih
= 160 (A); Uh = 24 (V); Vh = 200(mm/phút).
Thực hiện kiểm nghiệm lại chất lượng của
mối hàn thông qua việc kiểm tra cơ tính của mối
hàn bằng cách thử kéo đứt mẫu kiểm tra lấy từ các

Journal of Science and Technology

25


ISSN 2354-0575
mối hàn thực nghiệm được thể hiện trong Hình 6
(a, b). Kết quả giới hạn kéo đứt cho trường hợp tối

ưu A3B3C2 là 85 KN trong khi trường hợp đã chứng
minh được của trường hợp tối ưu là 85 KN trong khi
đó trường hợp A1B1C1 là 35KN.

Hình 5. Cấp độ của các hệ số ảnh hưởng tới diện
tích tiết diện ngang mối hàn

4. Kết luận
Nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp
thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai
ANOVA để phân tích các kết quả thực nghiệm, tính
được ảnh hưởng của thơng số cường độ dịng điện
hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn đến từng kích thước
của mối hàn (chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu
mối hàn), phân tích ảnh hưởng đến diện tích tiết
diện ngang của mối hàn. Sau đó nhận xét, rút ra
những kết luận trong từng trường hợp cụ thể, ngoài
ra kết hợp với phần kiểm tra kéo đứt các mẫu kiểm
tra để kiểm nghiệm lại kết quả cụ thể:
- Cường độ dòng điện hàn Ih có ảnh hưởng
lớn đến chiều cao và chiều sâu ngấu của mối hàn,
khi cường độ dịng điện thấp thì chiều cao mối hàn
thấp và chiều sâu ngấu thấp và ngược lại.
- Điện áp hàn Uh có ảnh hưởng lớn đến bề
rộng của mối hàn, khi điện áp hàn tăng thì chiều
rộng mối hàn tăng và ngược lại.
- Đề tài này thực hiện nghiên cứu đối với
mối hàn giáp mối không vát mép một phía ở vị trí
hàn bằng, đây là vị trí thuận lợi cho việc hình thành
mối hàn và ít xảy ra hiện tượng chảy xệ mối hàn, vì

vậy ta có thể thực hiện được các phương án:
+ Trong trường hợp muốn tăng năng suất
hàn khi thực hiện các đường hàn trong q trình
sản xuất có thể tăng cao cường độ dòng hàn, điện
áp hàn và sử dụng vận tốc hàn cao để thực hiện hàn
tăng tốc độ hàn mà vẫn đảm bảo chất lượng mối hàn
theo yêu cầu.

a)
b)
Hình 6. Biểu đồ lực kéo mối hàn a) trường hợp đầu
tiên A1B1C1 và b) trường hợp tối ưu A3B3C2
Bảng 4. Tổng hợp kết quả thực nghiệm trên vật mẫu
TT

1
2
3

26

Các tham số và các cấp
độ của chúng
Ih,
A

Uh,
V

1(100)

1(100)
1(100)

1(20)
2(22)
3(24)

Kết quả đo các tiêu chí đánh giá

Vh,
Chiều rộng mối Chiều cao mối Chiều sâu ngấu
mm/ph
hàn (b, mm)
hàn (c, mm ) mối hàn (h, mm)
1(100)
2(200)
3(300)

7,4
7,9
6,5

2,8
2,1
2,2

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

3,0
3,4

3,6

Diện tích tiết diện
ngang của mối
hàn Si, mm2
32,6
35,2
30,6

Journal of Science and Technology


ISSN 2354-0575
4
5
6
7
8
9

2(130)
2(130)
2(130)
3(160)
3(160)
3(160)

1(20)
2(22)
3(24)

1(20)
2(22)
3(24)

2(200)
3(300)
1(100)
3(300)
1(100)
2(200)

7,8
7,5
11,5
6,7
10,4
11,2

3,4
2,9
3,1
3,0
4,4
3,2

3,9
4,1
4,8
4,2
5,1

5,0

43,9
41,6
73,0
38,2
75,9
73,9

Bảng 5. Kết quả tính tỷ số nhiễu S/N với các trường hợp
TT Các tham số và các cấp độ
Kết quả đo các tiêu chí đánh giá
của chúng
Ih,
Uh,
V h,
Diện tích tiết diện
Diện tích tiết
Độ sai lệch diện
A
V
mm/ph
ngang của mối
diện ngang của
tích mối hàn
hàn Si, mm2
mối hàn S, mm2 (∆S=Si-S, mm)
1 1(100) 1(20) 1(100)
32,6
63,0

-30,4
2 1(100) 2(22) 2(200)
35,2
63,0
-27,8
3 1(100) 3(24) 3(300)
30,6
63,0
-32,4
4 2(130) 1(20) 2(200)
43,9
63,0
-19,1
5 2(130) 2(22) 3(300)
41,6
63,0
-21,4
6 2(130) 3(24) 1(100)
73,0
63,0
10
7 3(160) 1(20) 3(300)
38,2
63,0
-24,8
8 3(160) 2(22) 1(100)
75,9
63,0
12,9
9 3(160) 3(24) 2(200)

73,9
63,0
10,9

h ib,dB

-29,6575
-28,8809
-30,2109
-25,6207
-26,6083
-20
-27,889
-22,2118
-20,7485

Bảng 6. Ảnh hưởng của các tham số đến diện tích tiết diện ngang của mối hàn theo ANOVA
Hệ số
Ih (A)

Giá trị trung bình của từng cấp độ
1
2
3
-29,5831
-24,0763
-23,6165*

Uh (B)

-27,7224

-25,9003

Vh (C)

-25,6714

-25,59*

Tổng bình phương Phân bố ảnh hưởng
66,1368

0,723836

-23,6531*

24,92852

0,272831

-26,0145

0,304483

0,003332

Tất cả

91,3698

* Cấp độ tối ưu

Tài liệu tham khảo
[1]. Trương Công Đạt (1977), Kỹ thuật hàn, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[2]. Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Ngô Lê Thông (1998), Cẩm nang hàn, NXB Khoa học kỹ thuật
Hà Nội.
[3]. Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh (2002), Giáo trình cơng nghệ hàn, NXB Giáo dục.
[4]. Hồng Tùng (2004), Sổ tay định mức tiêu hao vật liệu và năng lượng điện trong hàn, NXB Giáo
dục.
[5]. Ngô Lê Thơng (2004), Cơng nghệ hàn nóng chảy (tập 1 cơ sở lý thuyết), NXB Khoa học kỹ
thuật Hà Nội.
[6]. Hoàng Tùng (2006), Cẩm nang hàn, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[7]. Nguyễn Tiến Đào (2006), Công nghệ chế tạo phôi, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[8]. Lưu Văn Huy, Đỗ Tấn Dân (2006), Kỹ thuật hàn, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[9]. Nguyễn Đức Thắng (2009), Đảm bảo chất lượng hàn, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội.
[10]. AWS D1.1 (2008), Welding Structure Steel, American Welding Society.
[11]. Taguchi, G. On-line Quality Control during Production, Japan Standard Association, Tokyo, 1981.

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology

27


ISSN 2354-0575
A STUDY ON THE EFFECT OF PARAMETERS ON THE QUALITY OF WELDING PRODUCT
DURING MAG WELDING TECHNOLOGY OF LOW CARBON STEEL
Abstract:
Recently, one of the advanced welding technology being highly effective applications of technology

that is semi-automatic welding in protective gas environment (MAG welding). However, the use of
equipment, is especially as the adjustment of process parameters to ensure welding requirements on weld
quality, had not been implemented. For new established vocational training institutions, the access to MAG
welding technology is limited leads to expensive in training, the low quality of workmanship and also low
economic efficiency.
In this study, evaluation of the welding technology parameters on weld quality was performed.
The parameters of welding process were considered according to Taguchi’s orthogonal array such as the
welding amperage, welding voltage and welding speed in order to verify their effects on the quality of
welding process. The optimum case was finally confirmed by corresponding experiment.
Keywords: MAG welding, Taguchi method, Optimum.

28

Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016

Journal of Science and Technology